作者：郑晓静（中国科学院院士）
春天的到来让人欢喜，当然也让不少人郁闷，尤其是北方的小伙伴，常见的沙尘暴最是让人头疼，狂风四卷的天气里沙土弥漫，出门前还是光鲜亮丽，出门后就是灰头土脸。你可知道，这沙尘暴也是和力学相关的吗？
沙尘暴与力学
说到力学，你可能马上会想到“观察、实验、理论”科学方法三部曲；想到中国的“两弹一星”……但是，你可能很难联想到沙尘暴。
实际上，沙尘暴就是不同大小的沙粒在风力作用下的各种不同形式的运动集合。
风沙运动系统示意图
在风场的作用下，较大粒径的沙粒主要沿地表滚动或滑动——蠕移运动。较小粒径的沙粒（尘）大多悬浮于空中跟随气流悬移运动，而更多的中等粒径的沙粒在风场作用下上扬进入气流，在气流中不断获得能量加速前进，又在自身重力作用下以一个相对于水平线很小的锐角迅速下落回地面，形成跃移运动。
通常情况下，这些在风场作用下的沙粒，通过运动在近地表1米左右的高度形成风沙流，就像由沙粒构成的溪流一般。同时，还会形成沙波纹、沙丘以及沙丘场。
左：沙波纹；右：沙丘场
在极端情况下，便突发为沙尘暴，从地面至高空都弥漫着大小不同的沙粒，形成一派沙粒漫天飞舞的景象，以及数百米高的沙墙壁。当风速减弱后，它还意犹未尽，无数沙尘悬浮空中持续数天，甚至漂至数千公里以外。
这一系列自然现象在本质上是颗粒物质的机械运动，构成一种典型的力学系统，必然遵循基本力学规律。
也正因为如此，沙尘暴的形成和演化乃至整个风沙运动，不可避免地存在着与力学——关于力与运动的科学——相关的问题，需要借鉴力学的理论与方法，通过研究沙尘暴（包括风沙运动、孕育、发生、演化、时空分布的定量规律和致灾机理以及临界条件的诊断方法）以更好地认识这些自然现象和规律，为准确地预测、预报提供有效途径，为合理防治方案的设计提供理论依据。
如何利用力学预测沙尘暴？
沙尘暴的预报是大气科学家的一个主要任务，中国气象局及其下属的各地区的气象部门与中国科学院的有关科研机构，对沙尘暴的预报做了大量的工作，并已经开展了对沙尘天气和沙尘暴的预报工作。
但是，沙尘暴预报模式中的一些直接影响预报准确性的关键环节，其本身也是典型的力学问题。
相比天气预报，对沙尘的预报要晚得多，其中所用到的沙尘数值模式是1982年左右才发展起来的，当时还仅限于用一维模型关注沙尘的垂向交换律。随后，相继发展了多个高维数的全球或区域的沙尘数值模式，如：IWEMS，DREAM，DEAD，COAMPS，NARCM 等等，以期实现对沙尘天气的定量模拟。
这种沙尘天气数值预测系统主要由大气模块、陆面模块、起沙模块、传输模块和下垫面地理信息系统数据模块组成，各模块之间相互联系。
沙尘模式示意图[引自文献3]
大气模块和传输模块分别提供气象背景场和模拟沙尘的传输过程，而陆面模块和地理信息系统模块主要是通过遥感反演及数值模拟的手段，给出下垫面粗糙度、土壤湿度、土壤类型以及沙源地的分布（即可风蚀区域）等信息。
通过这些信息，结合大气模块输出的风场，风蚀模块便可用参数化方法来确定可蚀地表沙尘释放的水平通量以及垂直通量，为传输模块提供边界条件。
由此可见，沙尘暴预报模式中的核心就是大气模块和传输模块，其中主要涉及的就是流体力学最常用的连续性方程与动量方程等，至于其它模块的功能可以看作是为这些方程提供相应的参数和初、边值条件。
而迄今为止，在沙尘预报模式及其理论本身还存在着很多未能有效解决的问题，难以避免的应用了大量的简化处理。
沙尘的粒径在数十微米的量级，而大气模式中，无论采用气压坐标或地形坐标，其垂直网格高度最小也在几十米的量级，二者很难匹配。
为此，沙尘模式对输沙通量的处理是根据精度要求进行参数化。那么，如何进行参数化，这就直接影响预报模式的准确性和实时性。
除此之外，其它模块是否能提供准确的参数和初、边值条件，也直接影响沙尘暴预报的准确性。例如，风蚀模块所需要的地表土壤参数——土壤塑性压力。
根据目前的研究在500~50000Pa之间，范围大，导致输沙通量计算误差大；再如，陆面模块中的土壤湿度强烈影响沙尘的临界起动风速，当土壤湿度误差达到1%时，起动风速的计算误差就可以达到10%以上。
由以上分析可以看出，尽管沙尘暴的预报模式研究是大气科学家的主要工作，并涉及到地学、计算机科学，甚至化学、生物学等学科，但是，它更强烈的依赖于力学理论和方法对风沙运动各个过程的机理和规律的准确认识和定量描述。
如何通过力学治理沙尘暴？
除了对沙尘暴的预测和预报外，在沙尘暴的防治方面，也有许多问题直接与力学相关。
比如：在防沙工程方面，无论是固沙、阻沙、输沙或导沙，其设施的设计和有效性，往往都是通过反复试验摸索出来的，不仅需要花费大量的人力、物力，还会大大延长设计施工的时间。
而已有的防沙工程设施设计的理论依据简单，所采用的模型过于理想化，比如将草方格沙障、栅栏沙障、防护林等处理为刚体，风场也大多处理为平稳的均匀来流。
左：草方格沙障；右：栅栏沙障
实际上，这些柔性材料制成的防沙设施在风中的摆动或振动会对流场产生强烈的影响，来流风场的脉动性和地表的复杂性使得风速不仅随时间也随空间变化。
因此，需要同时考虑风沙两相流与沙障或植物的耦合作用。这类问题在力学上称为流固耦合问题，其解决肯定需要力学家们的努力。
然而，沙尘暴的形成和演化乃至整个风沙运动系统中的相关的力学问题远比牛顿当年处理的那些问题要复杂得多，也比近代力学所涉及的那些我们所熟悉并成功解决的问题要复杂得多。
这主要是因为沙尘暴的形成和发展过程是一个诸多因素驱动下的多相多组分、复杂介质、多尺度、非线性、非平稳复杂输运的（或流动）过程。
首先，引发沙尘暴的风场在时间和空间上都呈现出强烈的非线性和非平稳特性，这种风场也是强烈的热对流——大气环流的冷空气与太阳辐射地表后的热空气相互作用的结果。
沙尘暴通常出现在午后和傍晚，而夜间至午前相对较少就是证明，因为午后和傍晚地表温度高，近地大气层结不稳定。
有风不一定引起沙尘运动，因为地表条件包括地表含水率、植被的高度、覆盖度等都会影响地表沙尘的粘结力以及作用在地表的风力，进而影响沙尘的起动，这也就是为什么沙尘暴多发生在春末夏初地面干燥、植被较少季节的原因了。
沙尘暴中有很强的风沙电场，这是因为运动沙粒间的摩擦碰撞引起电荷转移而使沙粒带电，这一方面影响了沙尘暴期间的无线电波的传播、引发输电线的火花放电，另一方面，所形成的风沙电场反过来又会影响沙粒运动。所以，沙尘暴是一个风场-沙尘-热对流-电场相互耦合的系统。
其次， 流动的空气与离开地表在气流中运动的沙尘构成了风沙流，这是一类典型的气固两相流。
沙尘受到气流作用而运动，对气流也会产生反作用，这种负反馈机制导致在来流风速值不变的情况下，风沙流存在一个从形成、发展到饱和的过程。
除了沙尘之外，大尺度的沙尘暴中还有水汽、化学微粒、冰粒等，粒子在被远距离输送的同时还会发生复杂的物理和化学反应，如沙尘作为凝结核可影响水汽分布，这就是我们说的沙尘暴中的多相多组分复杂介质。
而粒径在微米量级的沙粒造就了尺度在数厘米量级的沙波纹、数米量级的风沙流、数十米量级的沙丘、数百米高的沙尘壁、数千米量级的沙山和沙垅，沙尘暴影响的范围则可达到数千公里，其空间尺度跨越8-9个数量级；从时间尺度上来看，沙粒的碰撞时间是瞬间完成的、风沙流在数秒内达到饱和、一场沙尘暴的持续时间可长达几个小时或几天，而沙波纹和沙丘场形成的时间分别是数分钟和数十年，其时间尺度跨越也有8-9个数量级。
不仅如此，风沙运动系统中的这些不同尺度上的现象和行为，有着不同的结构层次，不同的演化物理机制和速率，充分体现出不同时空尺度上的物理多样性和耦合特性——这是典型的时空多尺度问题。
因此，从另一个角度来看力学与沙尘暴，我们可以发现，有关沙尘暴的相关研究也是对力学学科的一个新挑战。
预测沙尘的新挑战
挑战之一：沙尘暴的野外测量非常困难。
一方面是由于沙尘暴多发地区生存条件恶劣、影响因素复杂，另一方面也是由于耐磨的合适的实验仪器缺乏，实验仪器的精度和效率也难以保证。
而对沙尘暴准确有效地测量，不仅是认识并揭示其规律的基础，也是检验预报理论模式和数值结果可靠性的依据。
另一种选择是进行室内风洞实验，风洞实验需要应用相似原理，将研究对象如大气边界层和地形下垫面条件，缩小至实验尺度。
风沙运动的实验研究大多是在可控条件好、实验周期短的室内环境风洞中进行，但由于尺寸限制，目前的风洞实验还很难同时达到几何相似、物理相似和动力相似的各种相似性要求，以满足大气边界层中风-沙尘相互作用的时空动力学特性，更何况是针对沙尘暴演化过程的实验研究。
挑战之二：定量模拟无从下手。
一方面，气体是连续的，称为连续介质，可以用连续介质理论中的流体力学基本方程来描述，但沙尘是颗粒物质，称为散体，如果也用连续介质理论中的固体或流体力学基本方程来描述，显然不能满足连续介质的假定。
另外，对于沙尘流从内向外翻滚、呈莲花状的沙尘壁结构，如果我们按牛顿力学的方法建立一颗颗沙粒的运动方程，别的不说，就这如此巨多的颗粒，其变量的数目也让人望而却步！
即使使用巨型计算机能够得到所有颗粒的相应控制方程的通解，仅仅因为要耗费大量的时间和纸张，我们就不可能将每一个颗粒的初值代入方程中。
所以，“传统的求解3个场方程（连续方程，动量方程，能量方程）以及本构方程的力学范式，对于跨尺度耦合的问题是不够的。我们必须探讨新的范式来包括跨尺度耦合的过程”。
而这类多尺度耦合问题广泛存在于生物、物理和工程等研究领域，“多尺度模拟是一个学科高度交叉的领域，包含了在各个领域内独立的发展”。
挑战之三：风沙运动机理未完全认识清楚。
首先，对一系列基本问题或是有待于进一步深入研究，或是因为模型缺乏物理解释而定量结果不准确，比如：单颗沙粒在脉动风场作用下的起动机制；植被盖度和地表含水率以及地形如何影响起动风速进而影响水平输沙通量，现有参数化方案是否合理；参与大气输送的粉尘从地表起动的机制及垂直粉尘通量如何确定；湍流和阵风如何导致了实际风沙运动的强间歇性；各种风沙地貌如沙波纹和沙丘等如何形成演变；沙尘暴带电结构和规律及风沙电场对沙尘输送过程的影响，等等。
其次，大气与下垫面（有植被、无植被、地面、海洋、冰雪等）的相互作用及传热传质等过程均要在边界层内发生，现有研究多在中性大气边界层假定下进行，而实际情况是沙尘暴爆发时，大气层结不稳定，湍流迅速增强，加之初、边界条件复杂，因此，如何准确并有效地描述这种复杂的湍流运动，还需要基于对边界层理论的深入研究。
所以，尽管关于沙尘暴的研究，近半个多世纪以来取得了许多卓有成效的进展，为进一步的研究奠定了基础，但仍有许多重要的问题有待亟待解决。
这些问题的提出和解决不仅有利于提高沙尘数值模拟的准确性，也为各种防治措施的实施提供了依据，也能够促进力学学科不断地拓展研究领域，发展新理论和新方法。
而具有复杂介质、多相多组分、多尺度、时空强非线性、多过程耦合以及复杂边界条件特征的非平稳流动和输运过程也是许多其他其他环境问题，如：水沙、污染物扩散以及许多其他基础学科面对的共性科学问题。
因此，对沙尘暴和风沙运动系统中的这些问题的解决也将是促进解决科学前沿共性问题的一种有益尝试。
参考文献
[1] Zheng X J. Mechanics of Wind-blown Sand Movement [M]. German: Springer, 2009.
[2] 秦大河 主编，杨德保，尚可正，王世功 编著. 全球变化热门话题丛书-沙尘暴[M].北京：气象出报社，2003.
[3] 邵亚平.沙尘天气的数值预报[J]. 气候与环境研究，2004，9(1)：127-138.
[4] 白以龙，汪海英，夏梦棼，柯孚久.固体的统计细观力学-连接多个耦合的时空尺度[J]. 力学进展，2006，36(2)：286-305
（内容来源于《院士谈力学》，略有删节和修改，转载自科学大院微信公众号）
